Mengapa beberapa paduan menjadi lebih kuat pada suhu kamar?

Paduan biasanya berupa logam yang setidaknya telah ditambahkan satu unsur lain. Fisikawan Adrian Lervik mengatakan kita sudah mengetahui bahwa paduan aluminium bisa menjadi lebih kuat jika disimpan pada suhu kamar.

Ahli metalurgi Jerman Alfred Wilm menemukan karakteristik ini sejak tahun 1906. Namun mengapa demikian? Sejauh ini, hanya sedikit yang diketahui tentang fenomena ini, namun kini Lervik dan rekan-rekannya dari Universitas Sains dan Teknologi Norwegia (NTNU) dan lembaga penelitian independen terbesar di Skandinavia, SINTEF, telah memecahkannya. Masalah ini terpecahkan ("Struktur atom gugus zat terlarut dalam paduan Al – Zn – Mg").

Lervik baru saja menyelesaikan PhD di bidang Fisika di NTNU. Karyanya menjelaskan bagian penting dari misteri ini.

Pada akhir abad ke-19, Wilm mencoba meningkatkan kekuatan aluminium, logam ringan yang baru muncul belakangan ini. Dia melebur dan menuang banyak paduan berbeda dan menguji berbagai tingkat pendinginan yang umum dalam produksi baja untuk mencapai kekuatan terbaik. kata Lervik.

Will kembali ke laboratorium untuk melanjutkan pengujian tarik paduan yang terdiri dari aluminium, tembaga, dan magnesium. Ia menemukan bahwa kekuatan paduan ini telah meningkat secara signifikan selama akhir pekan.

Selama ini paduan ini hanya disimpan pada suhu ruangan, namun lama kelamaan tidak akan mampu menyelesaikan tugasnya.

Saat ini fenomena ini disebut penuaan alami.

Ahli metalurgi Amerika Paul Merica pada tahun 1919 mengusulkan bahwa fenomena ini disebabkan oleh pembentukan semacam presipitasi dalam paduan oleh partikel kecil dari berbagai unsur. Namun belum ada metode eksperimental untuk membuktikan hal ini pada saat itu.

Lervik mengatakan bahwa hingga akhir tahun 1930-an, metode difraksi sinar-X tidak dapat membuktikan bahwa unsur-unsur paduan teragregasi menjadi kelompok-kelompok kecil pada skala nano.

Aluminium murni terdiri dari banyak kristal. Sebuah kristal dapat dianggap sebagai sebuah kotak, dan setiap kotak dari kotak tersebut memiliki sebuah atom. Kekuatan diukur dengan ketahanan lembaran terhadap gesekan satu sama lain.

Dalam suatu paduan, hanya sebagian kecil dari persegi yang ditempati oleh elemen lain, sehingga lebih sulit untuk meluncur di antara lembaran, sehingga meningkatkan kekuatan.

Seperti yang dijelaskan Lervik, agregat bagaikan setetes cat di dalam blok kisi-kisi. Unsur-unsur paduan terakumulasi dan menempati lusinan kotak yang berdekatan, yang meluas hingga beberapa lembar. Bersama dengan aluminium, mereka membentuk sebuah pola. Tetesan ini memiliki struktur atom yang berbeda dari aluminium, sehingga membuat serpihan di blok kisi lebih sulit tergelincir karena dislokasi.

Agregasi unsur-unsur paduan disebut"cluster". Dalam bahasa teknis, wilayah ini disebut Distrik Ginier-Preston (GP), yang diambil dari nama dua ilmuwan yang pertama kali mendeskripsikan wilayah tersebut. Pada tahun 1960-an, manusia pertama kali melihat daerah GP melalui mikroskop elektron, namun sampai sekarang daerah tersebut belum terlihat pada tingkat atom tunggal.

Penerapan praktis adalah yang paling penting

Dalam beberapa tahun terakhir, banyak ilmuwan telah mengeksplorasi komposisi agregat, namun hanya sedikit penelitian yang dilakukan untuk memahami struktur nuklirnya. Sebaliknya, banyak penelitian berfokus pada mengoptimalkan paduan dengan bereksperimen dengan pengerasan usia pada suhu dan waktu berbeda, kata Lervik.

Dalam lingkungan industri, pengerasan umur dan produksi campuran logam yang kuat jelas sangat penting. Namun, hanya sedikit peneliti dan orang dalam industri yang peduli tentang apa sebenarnya isi gugus bintang ini. Mereka terlalu kecil untuk dibuktikan.

Lervik dan rekan-rekannya punya ide berbeda.

Lervik mengatakan bahwa melalui metode eksperimental, kami berhasil menggunakan mikroskop elektron transmisi Trondheim untuk mengambil foto agregat tingkat atom untuk pertama kalinya pada tahun 2018.

Tim peneliti juga menggunakan instrumen tomografi probe atom yang baru-baru ini dipasang di NTNU untuk menentukan komposisi kimia agregat. Proyek infrastruktur Dewan Riset Norwegia memungkinkan penemuan ini. Investasi ini telah membawa pada pemahaman baru tentang dasar-dasar logam.

Para peneliti mempelajari paduan aluminium, seng, dan magnesium, yang disebut paduan aluminium seri 7xxx. Paduan logam ringan ini menjadi semakin penting dalam industri otomotif dan dirgantara.

Kami menemukan kelompok partikel dengan radius 1,9 nanometer dalam aluminium. Meski jumlahnya banyak, namun sulit diamati di bawah mikroskop. Kita hanya dapat menentukan struktur atom dalam kondisi eksperimen khusus.

Ini adalah salah satu alasan mengapa belum ada orang yang melakukan hal ini sebelumnya. Eksperimen ini rumit dan membutuhkan peralatan eksperimen modern yang canggih.

Kami telah berkali-kali mengalami betapa rumitnya hal ini. Bahkan jika kami berhasil mengambil gambar gugus bintang dan mengekstraksi beberapa informasi tentang komposisinya, kami memerlukan waktu beberapa tahun untuk mempelajari informasi yang cukup agar dapat menggambarkan struktur inti bintang, kata Lervik.

Jadi apa yang membuat karya ini begitu istimewa? Di masa lalu, orang berpikir bahwa agregat terdiri dari unsur-unsur paduan dan mungkin kekosongan yang tersusun secara acak (kotak kosong).

Lervik mengatakan bahwa kami menemukan bahwa kami dapat mendeskripsikan semua agregat yang kami amati dalam bentuk figur spasial geometris unik yang disebut kubus segi delapan terpotong.

Untuk memahami penemuan ini, pertama-tama kita harus mengakui bahwa kristal aluminium (balok persegi) dapat dilihat sebagai tumpukan kubus, masing-masing memiliki 8 sudut dan 6 muka atom.

Struktur ini adalah kisi atom kubik yang berpusat pada sisi. Bentuk geometris ini seperti kubus, dan cangkangnya dibentuk oleh kubus yang mengelilinginya. Kami menggambarkannya sebagai tiga cangkang yang mengelilingi kubus pusat: satu adalah sisinya, satu lagi adalah sudut dan lapisan terluar. Cangkang ini masing-masing terdiri dari 6 atom seng, 8 atom magnesium, dan 24 atom seng.

Gambar ini menjelaskan lebih lanjut semua unit cluster yang lebih besar, yang dapat dihubungkan dan diperluas dalam tiga arah yang ditentukan. Gambar ini juga menjelaskan pengamatan yang sebelumnya dilaporkan oleh orang lain. Unit cluster ini membantu meningkatkan kekuatan selama pengerasan usia.

Hal ini penting untuk memahami perlakuan panas

Paduan ini juga akan mengalami perlakuan panas akhir pada suhu yang lebih tinggi (130-200°C) untuk membentuk endapan yang lebih besar dengan struktur kristal bening. Mereka mendekatkan bidang atom (lembaran) dan memperkuatnya secara signifikan.

Kami percaya bahwa memahami struktur atom dari gugus atom yang dibentuk oleh penuaan alami sangat penting untuk memahami lebih lanjut proses pembentukan presipitasi yang menentukan sifat dari begitu banyak material. Selama perlakuan panas, apakah presipitasi terbentuk pada cluster atau cluster berubah menjadi presipitasi? Bagaimana cara mengoptimalkan dan menggunakannya? Pekerjaan kami selanjutnya akan mencoba menjawab pertanyaan-pertanyaan ini, kata Lervik.